《食品科学》：江苏大学邹小波教授、周晨光副教授等：冷等离子体处理对高粱淀粉结构及理化特性的影响

淀粉作为一种可再生、低成本且来源广泛的天然高分子聚合物，不仅是人类饮食中的主要能量来源，也是食品、医药及材料工业的重要原料。其具有典型的半结晶层状结构，该结构由直链淀粉（通过α-1,4-糖苷键连接）和支链淀粉（同时含有α-1,4-和α-1,6-糖苷键）通过分子间与分子内氢键自组装而形成。作为世界第五大谷物，高粱（Sorghum bicolor L.）具有极高的抗逆性与产量优势，其籽粒中淀粉相对含量高达70%左右，且富含抗性淀粉及活性酚类物质，具有优异的营养健康价值。与玉米、马铃薯等主流商业淀粉相比，天然高粱淀粉同样也存在易老化回生、溶解度低、凝胶质地粗糙等功能缺陷，严重制约了其在现代食品工业中的深加工与高值化应用。因此，深入解析高粱淀粉的结构特性，并采用定向方法改善其理化性质，对于挖掘其商业化应用潜力具有重要的科学意义与经济价值。

在高粱淀粉改性技术中，传统化学改性虽效率较高，但常常伴随着试剂残留和环境污染的问题。相比之下，冷等离子体作为一种新兴非热物理加工技术，凭借其绿色、无毒、高效的优势，正逐渐成为淀粉改性领域的研究热点。在等离子体场中，高能电子、离子及活性氧/氮（ROS/RNS）通过刻蚀、解聚和交联3 种核心机制作用于淀粉颗粒。现有研究表明，冷等离子体处理的效果高度依赖于工艺参数与氛围气气体种类，如Zou Jijun等发现辉光放电Ar等离子体可诱导淀粉颗粒表面发生分子交联；Wu等研究了不同等离子体射流强度（400～800 W）下处理玉米淀粉30 min后其理化性质的变化，发现等离子体射流能够使淀粉分子发生降解，提高淀粉样品的溶解度和透明度；Gupta等则指出介质阻挡放电等离子体处理会导致芋头淀粉相对结晶度的显著降低。尽管冷等离子体技术在其他淀粉源上已显示出巨大潜力，但目前针对高粱淀粉的针对性研究仍相对匮乏，特别是关于不同类型气氛（惰性气体和活性气体）与能量密度（放电功率）对高粱淀粉多尺度结构及凝胶微观水分状态的差异化调控机制尚不明晰。

基于此，江苏大学食品与生物工程学院的苑晴晴、周晨光*、邹小波*等人选取高粱淀粉为研究对象，采用真空冷等离子体系统，对比探究活性气体氮气（N2）与惰性气体氩气（Ar）在不同功率条件（400 W和700 W）下对淀粉结构与性能的调控作用。此外，在常规理化表征的基础上，引入低场核磁共振（LF-NMR）技术，从水分子微观动力学的角度深入解析改性淀粉凝胶网络结构的演变机理，旨在为高粱淀粉在新型凝胶食品、脂肪替代物及功能性配料中的精准应用提供理论依据。

1 冷等离子体处理对高粱淀粉形态结构的影响

如图2A所示，天然高粱淀粉表面光滑致密，呈现典型的多面体或不规则球形（图2A1）。经N2冷等离子体处理后，颗粒表面发生显著粗糙化，出现了明显的蚀刻坑与微孔通道；随着处理功率从400 W提升至700 W，高能粒子对颗粒表面的轰击效应加剧，导致孔径扩大与数量激增（图2A2、A3）。相比之下，Ar等离子体展现出比N2更剧烈的处理效果（图2A4、A5），且Ar-700W处理组剥蚀痕迹最为明显。其主要原因可能是Ar等离子体中高能离子Ar+的物理溅射效应所导致，其较大的原子质量赋予离子更高的动能，能直接撞击并剥离淀粉表面的分子片段；而N2等离子体则主要通过RNS的化学刻蚀与物理轰击协同作用。

如图2B所示，CLSM图像进一步揭示了冷等离子体处理对淀粉颗粒内部结构的渗透作用。天然淀粉颗粒结构完整，染料难以渗透，荧光信号微弱（图2B1）。相比之下，冷等离子体改性后的淀粉颗粒荧光强度显著增强且呈弥散状分布（图2B2～B5）。这一现象表明，等离子体活性粒子经由刻蚀形成的微孔通道进入颗粒内部，使原本紧密的颗粒结构变得疏松，增加了FITC染料的渗透性及其与还原性末端的接触机会，从而导致荧光信号增强。值得注意的是，淀粉颗粒中心的“脐点”区域因结构相对疏松且含水量较高，成为了活性粒子优先攻击的受点，导致颗粒中心荧光异常集中甚至出现“空心化”现象。对比两种不同氛围气处理可以发现，Ar处理组的颗粒破碎度更高、荧光分布更均匀（图2B4、B5），表明其对颗粒结构的破坏作用更为显著，这可能与其高能Ar+的物理溅射效应较强有关。此外，如图2C所示，所有样品的PLM图均呈现清晰的马耳他十字，表明冷等离子体处理并未破坏淀粉颗粒内部直链/支链淀粉径向有序排列的结晶区骨架。该结果说明冷等离子体处理的高粱淀粉具有表面高度刻蚀、内部局部解聚的特性。

2 冷等离子体处理对直链淀粉含量的影响

直链淀粉含量是决定淀粉糊化行为与凝胶特性的关键参数。如图3所示，经冷等离子体处理改性后，高粱淀粉的直链淀粉含量随处理功率的增大呈现先升后降的变化趋势。天然高粱淀粉的直链淀粉相对含量为35.40%；在400 W中等功率冷等离子体处理下，N2组与Ar组的相对含量均升至36.19%；然而，当功率提高至700 W时，两者相对含量分别显著下降至35.08%和33.26%。这种先升后降的变化趋势，反映了等离子体改性过程中分子解聚与脱支化两种竞争机制的动态作用机制。在400 W较低能量密度下，等离子体粒子可攻击淀粉分子中的α-1,4-、α-1,6-糖苷键。在初始阶段，位于非晶区的支链结构更容易受到攻击，该脱支化作用将支链淀粉分子剪裁为大量较短的线性葡聚糖链。由于碘显色法基于碘分子与线性螺旋结构的包合作用，这些新生成的线性短链在测定中将被识别为“直链淀粉”，从而导致测量值呈现上升趋势。此外，等离子体对淀粉颗粒表面的刻蚀作用，也可能促进内部直链淀粉的释放与浸出。然而，当处理功率升至700 W时，高能电子与离子的轰击强度显著增强，反应机制发生转变。冷等离子体活性粒子不仅继续切断支链，更进一步破坏直链淀粉及线性片段的α-1,4-糖苷键主链。这种深度的“解聚效应”使得长链分子断裂为聚合度很低的糊精或寡糖片段，从而展现出脱支化与解聚作用。这些小分子无法有效与碘结合，导致直链淀粉含量显著下降。对于不同氛围气处理组而言，Ar-700 W组的降幅远大于N2-700 W组，这进一步证实了Ar等离子体具有更强的作用效果，其所产生的高能重离子轰击会导致淀粉分子链发生更为彻底的断裂与降解。

3 冷等离子体处理对高粱淀粉热特性的影响

高粱淀粉经冷等离子体处理前后的热力学糊化参数如表1所示。经N2与Ar等离子体改性后，高粱淀粉的糊化起始温度（To）、峰值温度（Tp）及终止温度（Tc）均显著下降（P＜0.05）。与天然淀粉Tp（70.38 ℃）相比，随着处理功率升高，冷等离子体处理样品Tp均逐渐降低；其中Ar处理组的下降幅度最为显著，Ar-700 W组的Tp降至最低点60.02 ℃。

这种“低温糊化”现象与前文所述的颗粒结构损伤密切相关，主要源于等离子体对淀粉颗粒多尺度结构的破坏。一方面，等离子体粒子攻击淀粉分子链，引起直链淀粉与支链淀粉发生解聚，维持颗粒完整性的氢键网络被部分破坏，因此仅需较低的热能即可引发双螺旋结构的解旋与糊化。另一方面，SEM观察到的颗粒表面裂纹与孔洞（图2）消除了天然淀粉外层的致密屏障，减少了水分子进入颗粒内部的传质阻力，使得水分子在加热过程中更容易渗透进入颗粒内部，在较低热能下即可发生溶胀与结构解体。该结果与Kaur等用等离子体处理小米淀粉所得到的结果一致。然而，Gupta和Shen Chen等发现等离子处理后淀粉糊化温度升高，这与本研究结果相反，可能是由于处理条件（如非真空环境）、淀粉来源或晶体类型的差异。此外，冷等离子体处理也显著降低了高粱淀粉的糊化焓变（ΔH）。对照组的ΔH为9.97 J/g，而N2-700 W与Ar-700 W组分别降至7.08 J/g和4.17 J/g，说明等离子体处理可能破坏了维持晶体结构的氢键网络及纳米级超分子层状排列，导致部分双螺旋在糊化前已发生解旋或断裂。Yan Yizhe等的研究也发现螺旋结构的降解直接降低了晶体稳定性。

4 冷等离子体处理对淀粉短程有序性的影响

对照组与等离子体处理淀粉样品的FTIR如图4A所示。在4 000～500 cm-1的范围内，天然淀粉与改性淀粉均呈现相似的特征吸收峰，未出现新的官能团特征峰，这表明冷等离子体处理并未改变淀粉分子的葡萄糖单元骨架结构。3 300 cm-1附近的宽峰归属于—OH的伸缩振动，2 930 cm-1处的峰对应C—H的非对称伸缩振动，而1 640 cm-1附近的吸收带则反映了淀粉非晶区中结合水的弯曲振动。指纹区中1 339、1 076、927 cm-1的峰关联于C—O—H的弯曲振动，1 242、1 146、1 012 cm-1 则分别对应C—O—C与C—O的伸缩振动。经等离子体处理后，代表—OH和—CH2基团的特征峰强度明显减弱，而其强度显著减弱正是高能粒子引发链断裂的证据。Ezekiel等在研究辐照马铃薯淀粉时也发现类似现象，推测可能是由高能粒子或自由基引发的分子解聚，导致部分—CH和—OH键断裂或发生脱氢氧化。此外，1 640 cm-1处水分子弯曲振动峰的强度降低，进一步说明等离子体处理使颗粒表面结合水含量减少或水合状态发生改变。

如图4B所示，通过进一步探究R1 047/1 022、R995/1 022所代表的淀粉内部有序性（DO）及双螺旋含量（DD）可以发现，所有处理组的R1 047/1 022均显著低于天然淀粉（1.675），其中Ar-700 W组降至最低（0.909）。R995/1 022也呈现一致的下降趋势。该结果表明，等离子体处理严重破坏了淀粉分子的短程有序性，高能粒子轰击破坏了维持双螺旋结构的氢键，引起支链淀粉侧链断裂并生成小分子片段，导致原本有序排列的结晶区边缘发生解旋并转向无序状态。

5 冷等离子体处理对高粱淀粉相对结晶度的影响

如图5A所示，对照组和处理组的XRD图谱均在2θ为15°、17°、18°和23°附近出现强衍射峰，呈现典型的A型晶体特征。经N2或Ar等离子体处理，所有样品的衍射峰位置均未发生显著偏移，也未出现新的晶型特征峰。这说明真空冷等离子体处理并未改变淀粉微晶的基本晶胞构型。然而，通过对衍射图谱进行拟合计算发现，高粱淀粉经等离子体处理后相对结晶度发生显著下降（图5B）。天然高粱淀粉的结晶度为15.65%，而经等离子体改性后，N2-700 W组和Ar-700 W组分别降低至11.33%和13.03%。该变化趋势与等离子体处理后的香蕉淀粉、山药淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉的相关报道结果一致。

结晶度下降的机制主要源于高能等离子体粒子对淀粉颗粒有序结构的物理与化学破坏：一方面，等离子体场中产生的高能电子、离子及自由基能够穿透颗粒表层，深入结晶区内部，通过轰击打断维持双螺旋结构的氢键，甚至切断淀粉分子的共价键骨架，从而导致原本紧密堆积的结晶区发生解体；另一方面，粒子的持续撞击使结晶区发生无序化，原本有序排列的分子链失去其规整性，这种从有序到无序的转变直接导致了相对结晶度的降低。该结果进一步印证了前文冷等离子体处理后淀粉DSC分析中的糊化焓降低的结果。

6 冷等离子体处理对高粱淀粉冻融稳定性的影响

淀粉冻融稳定性通常以析水率来表征，是衡量淀粉在冷冻-解冻循环中抵抗老化回生并保持水分能力的关键指标。如图6所示，天然与改性高粱淀粉凝胶的析水率存在显著差异（P＜0.05）。天然淀粉的析水率为55.96%，而经N2或Ar等离子体处理后，析水率均显著上升。在700 W高功率条件下，N2和Ar处理组的析水率分别升至62.99%和67.21%，表明改性淀粉凝胶在低温下持水能力下降，更易发生回生现象。改性淀粉析水率的升高，进一步印证了淀粉分子结构的改变对功能特性的决定作用。等离子体刻蚀产生的大量短链线性分子具有更高的分子迁移率，在冷冻-解冻循环中，这些短链比长链更容易发生重排和重结晶，易于通过氢键重新缔合，排列形成致密的结晶区。该重排过程导致凝胶三维网络收缩，进而将原本束缚的水分挤出，使析水率大幅 上升。对比不同气体处理效果，Ar-700 W组表现出最高的析水率，这是由于Ar离子的高能溅射对颗粒结构的破坏程度高于N2处理，导致更剧烈的分子链断裂和解聚，生成更多易于回生的短链组分，从而形成更易收缩的凝胶网络。

7 冷等离子体处理对高粱淀粉持水性和持油性的影响

持水性和持油性是评价淀粉在食品体系中与水、油相互作用能力的关键功能指标。如图7所示，经冷等离子体处理后，高粱淀粉的持水性随处理功率增加而显著上升。在700 W处理10 min的条件下，N2组与Ar组的持水性分别达到1.42 g/g和1.52 g/g，均显著高于天然淀粉。这种水合能力的增强源于多种机制的共同作用：首先，SEM图像（图2）中显示的等离子体刻蚀在颗粒表面形成大量微通道与孔隙，极大地增加了淀粉颗粒的比表面积，为水和油分子提供了更多的物理吸附位点和毛细管通道。其次，高能粒子引起的分子解聚将长链淀粉降解为糊精或寡糖等短链片段，这些低分子质量组分极性更高、亲水性更强，能更有效地与水分子形成氢键。XPS分析（表2）显示的淀粉表面蛋白去除（N元素含量减少）和极性基团暴露，也从化学层面增强了颗粒与极性溶剂及非极性溶剂的亲和力。

在持油性方面，所有冷等离子体改性淀粉的持油性均较对照组（0.83 g/g）显著提高，其中Ar-700 W组达到最高值1.08 g/g。持油性的提升主要是由于等离子体物理轰击所诱导的表面形貌改变。高能粒子的撞击使颗粒表面粗糙化并形成多孔结构，这些微观孔隙可作为物理空隙，通过毛细管力有效地捕获和截留油脂分子。Kalaivendan和Thirumdas等的研究也证实，等离子体处理可通过改变表面能与粗糙度，显著提升芒果仁和大米淀粉的吸油性能，从而能够作为脂肪替代品或风味载体，尤其适用于低脂蛋黄酱或烘焙食品的开发。

8 冷等离子体处理对高粱淀粉溶解度和溶胀力的影响

溶解度与溶胀力通常反映了淀粉颗粒与水分子相互作用及颗粒结构的完整性。如图8所示，冷等离子体处理显著改变了高粱淀粉的水合特性，使其呈现出“高溶解、低溶胀”的转变。整体而言，改性淀粉的溶解度随处理功率和测试温度的升高而显著增加。这一现象主要源于等离子体刻蚀与分子解聚的协同作用：一方面，颗粒表面形成的微孔通道降低了水分渗入的阻力；另一方面，高能粒子打断了无定形区及结晶区边缘的糖苷键，形成大量易溶的直链淀粉短链，促使这些组分在加热时更容易从颗粒中溶出。当温度升至90 ℃时，热作用进一步破坏氢键，加速晶体结构解体，暴露出更多亲水羟基，从而使溶解度分别达到不同氛围气条件下（N2-400 W和Ar-700 W）的峰值（24.63%和23.24%）。

冷等离子体改性后高粱淀粉溶解度与处理功率及氛围气种类具有显著相关性。在70 ℃和80 ℃条件下，相较于对照组，Ar-700 W处理组的溶解度增幅最大，分别为对照组的2.97 倍（图8A）和1.38 倍（图8B）。然而，在80 ℃下Ar-400 W组的溶解度反而略低于天然淀粉，这可能是由于在较低功率的Ar等离子体处理中，自由基介导的淀粉分子间交联反应占主导，形成致密网状结构，抑制了可溶性组分的释放。该结果与前文中淀粉持水性数据相对应。这一“低功率交联主导、高功率解聚主导”的现象，与Kaur等在小米淀粉研究中的结论一致，即冷等离子体处理淀粉的溶解度在较低强度下呈下降趋势，随后在较高强度下显著上升。

与溶解度的上升趋势相反，所有等离子体改性淀粉的溶胀力均明显低于对照组淀粉。溶胀力主要依靠支链淀粉结晶区的结构维持，其整体下降说明等离子体处理严重破坏了颗粒内部的晶体骨架和支链淀粉的链长结构。由于缺乏完整的网络支撑，改性淀粉颗粒在吸水后容易崩解，难以有效持水。这一现象反映了颗粒微观结构与水合特性之间的内在联系。具体而言，溶解度的提升主要归因于“刻蚀-解聚”机制的协同作用：一方面，SEM观察到的颗粒表面深层孔洞及裂纹消除了水分渗透的物理屏障，建立了水分子的快速传输通道；另一方面，分子链解聚产生了大量低分子质量的短链直链淀粉，这些高迁移率的组分在加热过程中极易从颗粒基质中浸出，从而显著提高了溶解度。然而，尽管表面亲水性及渗透性有所增强，溶胀力却在改性后受到显著抑制。结合后续XPS分析结果可知，等离子体轰击在颗粒外围诱导形成了富含C—C键的致密交联层，这种刚性的表面网络结构对颗粒产生物理束缚效应，有效限制了淀粉颗粒在吸水后的体积过度膨胀与崩解，从而导致溶胀力下降。以上结果分析表明，等离子体处理是调控淀粉溶解度和溶胀力的有效方法，这也为开发新型淀粉基食品提供了理论基础。

9 冷等离子体处理对高粱淀粉表面化学元素价态的影响

XPS分析表明，真空冷等离子体处理显著改变了高粱淀粉颗粒表面的化学组成，并呈现“脱氧碳化”特征。如表2所示，天然淀粉表面主要由碳（58.31%）和氧（40.06%）组成，O/C比为0.69。经N2等离子体处理后，表面氮含量（N1s）随功率增加而明显上升，在700 W时达到3.56%，说明高能氮自由基成功进攻碳链活性位点，接枝了胺基或亚胺基等含氮基团。相比之下，Ar处理组的N1s含量降至最低（0.36%），表明Ar离子的强烈物理溅射作用有效去除了表面残留的蛋白质。值得注意的是，所有改性样品的O/C比均有所下降，其中Ar-400 W组样品降至最低（0.46）。该趋势与常压等离子体处理通常引起的氧化效应相反，揭示了真空环境下的独特反应机制，即高能粒子轰击优先导致含氧基团（如羟基、糖苷键）断裂，并进一步可能以CO、CO2、H2O等挥发性小分子形式逸出，造成表面氧元素流失。

对C1s高分辨谱进行分峰拟合（图9），进一步从分子层面揭示了反应机理。结合表2发现，处理后代表淀粉骨架中糖苷键与羟基的C—O/C—OH峰强度大幅降低，从对照组的68.10%最低降至41.80%（Ar-400 W）；同时，代表碳骨架的C—C/C—H峰含量则从14.04%显著增加至44.59%（Ar-400 W）。从这种化学键组成的改变可以推测，高能粒子轰击导致淀粉分子链广泛断裂并重组，断裂产生的碳自由基相互结合，在颗粒表面形成了一层相对富碳且致密的“类碳交联层”。这种以脱氧和交联为主导的表面化学改性，不仅改变了淀粉的亲疏水性，也为其在低功率Ar处理下表现出的特殊溶解行为提供了化学结构依据。

10 冷等离子体处理对高粱淀粉稳态剪切流变特性的影响

淀粉稳态流变测试结果显示，冷等离子体处理显著改变了高粱淀粉糊的流动行为，所有淀粉样品的表观黏度均随剪切速率增大而快速下降（图10），表现出典型的假塑性特征。与天然淀粉相比，改性淀粉的黏度曲线整体下移，且下降程度与处理功率和气体种类有关，其中Ar-700 W组的黏度降幅最大，增稠能力几乎消失。这表明等离子体产生的高能粒子（尤其是高能Ar+）有效切断了淀粉的长链骨架（解聚效应），显著降低了分子质量及分子间缠结密度，从而减小了流动阻力。通过Herschel-Bulkley模型拟合可以进一步量化上述变化：稠度系数（K）从天然淀粉的2.85 Pa·sn降至Ar-700 W组的0.64 Pa·sn；所有样品的流动行为指数（n）均小于1（0.37～0.53），确认其为假塑性流体（表3）。

与此同时，对照组淀粉糊的屈服应力τ0为0 Pa，表现为典型的流体特性；而所有等离子体处理组均出现非零的屈服应力，其中N2-400 W组最高，达到1.35 Pa。τ0的增加说明改性淀粉在静止状态下形成了“弱凝胶”，需要一定外力才能使其流动。这可能是因为低功率处理产生的短链分子或引入的官能团（如N2处理引入的含氮基团），在静止时通过氢键等弱相互作用形成了局部有序网络。在此基础上，促使冷等离子体处理后的淀粉，能够在静止时具备一定的悬浮稳定性（高τ0），而在剪切作用下流动阻力相对较低（低K）。这种流变行为的显著变化，是分子链发生解聚的有力宏观证据：等离子体的高能粒子轰击切断了长链淀粉分子，导致分子质量降低及分子间缠结密度减小。由于缺乏长链骨架的支撑，改性淀粉糊在剪切力作用下无法维持高黏度，从而表现出更强的假塑性流体特征和更低的稠度系数。

11 冷等离子体处理对淀粉凝胶水分分布的影响

LF-NMR分析从水分动力学角度揭示了冷等离子体处理对高粱淀粉凝胶水分分布与结合状态的显著影响（图11）。T2谱图显示，天然淀粉凝胶内部存在3 种特征水分（图11A），包括结合紧密的结合水（T21）、滞留于凝胶网络中的不易流动水（T22）以及流动性较强的自由水（T23）。经等离子体处理后，水分分布模式发生明显改变：代表自由水的T23峰在所有改性组中均消失，且T22峰形明显变窄。表明原本游离的自由水已转变为被凝胶网络紧密束缚的不易流动水，水分子与淀粉基质间的氢键作用显著加强。同时，峰宽变窄也说明改性淀粉形成的凝胶网络结构更加均匀、致密，消除了天然凝胶中可能存在的相分离或大孔缺陷。

核磁共振成像结果进一步直观反映了凝胶持水能力的提升。伪彩色质子密度图中，改性淀粉凝胶（尤其是Ar-700 W组）呈现高亮红色信号，明显强于天然淀粉的黄橙色信号（图11B），证实其内部结合水含量大幅增加。这种持水性能的改善源于物理与化学双重机制：一方面，等离子体高能粒子轰击在淀粉颗粒表面形成大量微孔，显著增加比表面积，为水分子提供了更多物理吸附位点；另一方面，尽管Ar为惰性气体，但其强烈的物理溅射作用产生大量淀粉大分子自由基，这些活性位点后续氧化形成的亲水基团进一步增强了体系对水分子的化学亲和力。值得注意的是，高功率Ar处理凭借更强的物理刻蚀与自由基生成能力，构建了持水能力更优的三维网络结构，因此在提升凝胶持水性方面略优于N2处理组。

12 冷等离子体处理对淀粉凝胶质构特性的影响

等离子体处理对高粱淀粉凝胶的质构特性分析结果如表4所示。天然高粱淀粉凝胶表现出典型的强凝胶特性，其硬度（326.1 g）、胶黏性（278.3 g）及回复性（73.7%）均为所有样品中最高。这主要是天然淀粉长链分子在老化过程中形成的致密结晶网络及较多的分子间交联点所导致。经等离子体处理后，凝胶发生显著“软化”，所有处理组的硬度、胶黏性与咀嚼性均大幅下降。其中Ar-700 W组的硬度降至最低（93.0 g），较对照组下降71.5%。这种质构的变化说明等离子体高能轰击有效破坏了淀粉颗粒的完整性，并切断了维持凝胶骨架的长链分子，导致凝胶网络进一步松散。这种质地上的“软化”直接反映了淀粉分子网络完整性的丧失：天然淀粉凝胶的高硬度依赖于长链直链淀粉分子间的强氢键作用。然而，等离子体诱导的深度解聚切断了维持凝胶三维骨架的长链分子。破碎的分子链无法形成致密的网络结构来抵抗外部压缩，导致凝胶表现出弱凝胶的特征。这种低硬度、低咀嚼性的质构特征使改性高粱淀粉适用于老年吞咽辅助食品、婴幼儿辅食或低黏度酱料等对质地要求温和的产品。

此外，N2与Ar处理在功率响应上表现出不同机制。随着Ar处理组功率从400 W升高至700 W，其硬度从102.3 g进一步降至93.0 g，表现出持续的凝胶强度结构弱化趋势。相反，N2-700 W样品的硬度（211.4 g）较N2-400 W组（100.6 g）出现异常回升，且显著高于同功率Ar组。该结果表明在高功率N2处理中，除物理刻蚀引起的解聚外，RNS粒子可能诱导了部分分子间交联反应或生成大量短链直链淀粉，这些短链在凝胶化过程中通过氢键重排形成致密微晶区，从而部分恢复了凝胶的硬度。由此可见，Ar等离子体主要通过物理轰击实现淀粉凝胶的“深度软化”，在维持凝胶弹性方面表现出独特优势；而N2等离子体则通过物理化学协同作用赋予凝胶更复杂的质构可调节性。

结 论

本研究系统揭示了在N2与Ar氛围下，真空冷等离子体处理对高粱淀粉多尺度结构的改性机制与功能调控规律。结果表明，等离子体处理通过高能粒子的表面刻蚀、分子解聚以及表面化学修饰等多重作用，在保持颗粒宏观形貌基本完整的同时，一定程度上破坏了淀粉的结晶有序区与分子长链骨架。这一微观结构改性进一步影响了淀粉宏观特性的转变，使改性淀粉呈现出易低温糊化、高溶解度、高持水、持油性、低黏度及低溶胀度等加工特性。在凝胶特性方面，改性使高粱淀粉分子解聚，暴露的亲水基团与表面微孔强化了水分子的束缚能力，进而形成致密均一、质地软化的凝胶网络结构，展现出作为老年吞咽辅助食品及婴幼儿辅食基料的应用潜力。同时，其优异的吸油性能也使其有望成为低脂食品中的脂肪替代物。综上，本研究通过真空冷等离子体改性技术有效克服了高粱淀粉天然存在的加工缺陷，可为其他杂粮淀粉的绿色精深加工与高值化功能定制提供有效借鉴。

作者简介

通信作者：

邹小波，大学食品科学与工程学院，教授，博士生导师，江苏大学校长。长期从事食品、农产品质量与安全快速无损检测技术与智能装备研究。主要包括计算机视觉检测技术与装备、电子嗅觉检测技术与装备、近红外光谱检测技术与装备;光谱成像检测技术与装备;生物传感器检测技术与装备;食品品质快速无损与在线检测装备;中央厨房成套装备等。先后主持国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等项目10余项。近年来在食品品质的多维仿生感知、特色食品加工过程参量的多维分布成像化检测等方面取得了创新性成果。出版专著6 部，其中英文4 部。发表SCI/EI论文150余篇，授权专利50余件。研究成果曾获全国百篇优秀博士论文、中国青年科技奖、教育部技术发明一等奖和国家技术发明二等奖等奖励和荣誉。

通信作者：

周晨光，江苏大学食品科学与工程学院，副教授，硕士生导师。主要从事谷物智能加工和食品智能检测技术研究。先后主持国家自然科学基金面上/青年项目、国家重点研发计划子课题等国家级和省部级项目。以第一 / 通信作者发表高水平学术论文 27 篇，相关成果获中国食品科学技术学会科技进步一等奖（2/8）、中国轻工业联合会科技进步二等奖（3/8）、"十四五" 轻工业先进科技创新成果（2/10）。

第一作者：

苑晴晴，江苏大学食品科学与工程学院研究生。硕士研究生在读，主要从事谷物淀粉智能加工和食品智能检测技术研究，参与国家级科研项目1项，发表SCI论文1 篇。

引文格式：

苑晴晴, 张凯, 王瑜, 等. 冷等离子体处理对高粱淀粉结构及理化特性的影响[J]. 食品科学, 2026, 47(12): 250-262. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20260106-047.

YUAN Qingqing, ZHANG Kai, WANG Yu, et al. Effect of cold plasma treatment on the structure and physicochemical properties of sorghum starch[J]. Food Science, 2026, 47(12): 250-262. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20260106-047.

实习编辑：王雨婷；编辑：阎一鸣；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

北京食品科学研究院、中国食品杂志社和全国糖酒会组委会将于2026年10月15-17日在江苏省南京市南京国际博览中心举办第115届全国糖酒会食品科技成果交流会。食品科技成果交流会期间举办食品科技成果展，本届科技成果展以我国当前食品产业科技需求为导向，重点邀请“十四五”以来获得国家和省部级重要科研项目支持产出的食品科技新成果、新技术、新产品参展，并针对企业技术需要开展精准对接服务。扫描下方二维码即可申请展位。

为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社与海南大学、海南热带海洋学院、江西农业大学共同举办的“2026年动物源食品科学与人类健康研讨会”，将于2026年11月14-15日（11月13日报到）在中国 海南 海口召开。

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